JP4640052B2 - 水素発生装置およびこれを備えた発電システム - Google Patents
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Description
本発明は、メタンガス等の炭化水素系燃料を水蒸気改質する水素発生装置、およびこの水素発生装置を備えた発電システムに関する。ここでいう発電システムとは、少なくとも、水素発生装置と、前記水素発生装置で生成した水素を燃料として用いて発電する発電装置とからなる発電システムのことである。
水素を発生する方法として、改質触媒の存在下で炭化水素系燃料に水蒸気と熱を加えて水素を発生させる方法が知られている。炭化水素系燃料の一例としては、メタンガスを主成分とした都市ガスが挙げられる。
そして、従来の水素発生装置の構成として、例えば特許文献１に記載されたものがあり、これを図４に示す。図４に示す構成は、燃焼用燃料供給路１０および燃焼用空気供給路１１から各々供給された燃料と空気とを燃焼させるバーナ１９と、炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒とを有する改質器３と備え、バーナ１９で発生した燃焼排ガスの熱により前記改質触媒を加熱する水素発生装置であり、熱交換部２０を介して燃焼排ガス経路１２を流れる燃焼排ガスの熱で燃焼用空気供給路１１を流れる燃焼用空気を加熱している。
しかし、特許文献１に記載の水素発生装置では、起動時には燃焼排ガス経路１２を構成する部品の温度が低く、燃焼排ガス温度が燃焼排ガスの露点よりも低い間は、燃焼排ガスが燃焼排ガス経路１２内で結露して凝縮水を生じ、この凝縮水が燃焼排ガス経路１２を閉塞する現象を発生しやすい。また、燃焼排ガスが燃焼排ガス経路１２内で冷却されると、燃焼排ガス経路１２内の圧力が低下する。次いで、燃焼排ガス経路１２と連通する燃焼用燃料供給路１０や燃焼用空気供給路１１に圧力変化が伝播し、圧力振動を起こす。すると、バーナ１９用燃料および燃焼用空気の流量に変動が発生する。これらの現象のため、起動時に不完全燃焼や間歇的燃焼のような不安定な燃焼状態になり、燃焼排ガス中の一酸化炭素の排出量が増加することや、燃焼しなかった燃料成分を排出する欠点があった。
また、水素を利用して発電する発電装置の一例として燃料電池が挙げられる。燃料電池を安定して発電するには、水素含有ガスを安定して燃料電池本体１へ供給する必要がある。
特開平７−２４０２２３号公報
そして、従来の水素発生装置の構成として、例えば特許文献１に記載されたものがあり、これを図４に示す。図４に示す構成は、燃焼用燃料供給路１０および燃焼用空気供給路１１から各々供給された燃料と空気とを燃焼させるバーナ１９と、炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒とを有する改質器３と備え、バーナ１９で発生した燃焼排ガスの熱により前記改質触媒を加熱する水素発生装置であり、熱交換部２０を介して燃焼排ガス経路１２を流れる燃焼排ガスの熱で燃焼用空気供給路１１を流れる燃焼用空気を加熱している。
しかし、特許文献１に記載の水素発生装置では、起動時には燃焼排ガス経路１２を構成する部品の温度が低く、燃焼排ガス温度が燃焼排ガスの露点よりも低い間は、燃焼排ガスが燃焼排ガス経路１２内で結露して凝縮水を生じ、この凝縮水が燃焼排ガス経路１２を閉塞する現象を発生しやすい。また、燃焼排ガスが燃焼排ガス経路１２内で冷却されると、燃焼排ガス経路１２内の圧力が低下する。次いで、燃焼排ガス経路１２と連通する燃焼用燃料供給路１０や燃焼用空気供給路１１に圧力変化が伝播し、圧力振動を起こす。すると、バーナ１９用燃料および燃焼用空気の流量に変動が発生する。これらの現象のため、起動時に不完全燃焼や間歇的燃焼のような不安定な燃焼状態になり、燃焼排ガス中の一酸化炭素の排出量が増加することや、燃焼しなかった燃料成分を排出する欠点があった。
また、水素を利用して発電する発電装置の一例として燃料電池が挙げられる。燃料電池を安定して発電するには、水素含有ガスを安定して燃料電池本体１へ供給する必要がある。
本発明の課題は、燃焼用燃料供給路及び燃焼用空気供給路から各々供給される燃焼用燃料と燃焼用空気とを燃焼させるバーナと、前記バーナの燃焼排ガスにより加熱され炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒を充填した改質部とを有すると共に、燃焼排ガスと前記燃焼用空気とを熱交換させる水素発生装置において、従来、起動時に燃焼が不安定になり、燃焼排ガス中の一酸化炭素の排出量が増加することや、燃焼しなかった燃料成分を排出する欠点を改善することにある。
本発明の課題は、燃焼排ガスを加熱して、燃焼排ガスの露点より高温にすることによって解決される。
すなわち、請求項１の発明の特徴は、燃焼用燃料供給路及び燃焼用空気供給路から各々供給される燃焼用燃料と燃焼用空気とを燃焼させるバーナと、前記バーナの燃焼排ガスにより加熱され炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒を充填した改質部とを有すると共に、燃焼排ガスと前記燃焼用空気とを熱交換させる水素発生装置において、前記燃焼用空気を予熱する加熱装置を備え、予熱された燃焼用空気で燃焼排ガスを加熱することにある。
また、請求項２の発明の特徴は、請求項１に記載の水素発生装置において、水素発生装置の起動から一定時間前記加熱装置を作動させる手段を有することである。水素発生装置の起動から一定時間加熱装置を作動させる具体的手段としては、バーナを点火してから一定時間計測するタイマーを設置し、一定時間経過した後に加熱装置を停止させることが望ましい。
すなわち、請求項１の発明の特徴は、燃焼用燃料供給路及び燃焼用空気供給路から各々供給される燃焼用燃料と燃焼用空気とを燃焼させるバーナと、前記バーナの燃焼排ガスにより加熱され炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒を充填した改質部とを有すると共に、燃焼排ガスと前記燃焼用空気とを熱交換させる水素発生装置において、前記燃焼用空気を予熱する加熱装置を備え、予熱された燃焼用空気で燃焼排ガスを加熱することにある。
また、請求項２の発明の特徴は、請求項１に記載の水素発生装置において、水素発生装置の起動から一定時間前記加熱装置を作動させる手段を有することである。水素発生装置の起動から一定時間加熱装置を作動させる具体的手段としては、バーナを点火してから一定時間計測するタイマーを設置し、一定時間経過した後に加熱装置を停止させることが望ましい。
また、請求項３の発明の特徴は、請求項１に記載の水素発生装置において、前記燃焼排ガス若しくは燃焼排ガス経路の壁面温度を測定する温度センサと、前記温度センサの温度データが温度設定値に到達するまで前記加熱装置を作動させる加熱装置制御装置とを備えたことである。
また、請求項４の発明の特徴は、請求項３に記載の水素発生装置において、前記温度設定値が７０℃であることである。
また、請求項５の発明の特徴は、請求項１から４のいずれか一項に記載の水素発生装置を備えたことである。
また、請求項４の発明の特徴は、請求項３に記載の水素発生装置において、前記温度設定値が７０℃であることである。
また、請求項５の発明の特徴は、請求項１から４のいずれか一項に記載の水素発生装置を備えたことである。
請求項１に記載の発明によれば、起動時の燃焼を安定でき、若しくは、燃焼が不安定になる時間を短縮できる。これにより、燃焼排ガス中の一酸化炭素の排出量を減少でき、燃焼しなかった燃料成分の排出を低減できる。
請求項２に記載の発明によれば、起動時の燃焼を安定でき、若しくは、燃焼が不安定になる時間を短縮できる。これにより、燃焼排ガス中の一酸化炭素の排出量を減少でき、燃焼しなかった燃料成分の排出を低減できると共に、加熱装置の作動時間を限定することで、無駄なエネルギー消費を低減できる。
請求項３および４に記載の発明によれば、燃焼排ガス若しくは燃焼排ガス経路の壁面温度を計測し加熱装置を制御することで、燃焼排ガスが結露する温度を超えた後に速やかに加熱装置を停止できるため、省エネルギーに運転できる。
請求項５に記載の発明によれば、水素発生装置が起動時に燃焼排ガス中の一酸化炭素の排出量を減少でき、燃焼しなかった燃料成分の排出を低減できるため、起動時に安定的な発電状態に早く到達できる。
請求項２に記載の発明によれば、起動時の燃焼を安定でき、若しくは、燃焼が不安定になる時間を短縮できる。これにより、燃焼排ガス中の一酸化炭素の排出量を減少でき、燃焼しなかった燃料成分の排出を低減できると共に、加熱装置の作動時間を限定することで、無駄なエネルギー消費を低減できる。
請求項３および４に記載の発明によれば、燃焼排ガス若しくは燃焼排ガス経路の壁面温度を計測し加熱装置を制御することで、燃焼排ガスが結露する温度を超えた後に速やかに加熱装置を停止できるため、省エネルギーに運転できる。
請求項５に記載の発明によれば、水素発生装置が起動時に燃焼排ガス中の一酸化炭素の排出量を減少でき、燃焼しなかった燃料成分の排出を低減できるため、起動時に安定的な発電状態に早く到達できる。
図１に、本発明に係る水素発生装置を固体高分子型燃料電池と組み合わせた実施例の燃料電池発電システムの概略構成図を示す。なお、燃料電池には、リン酸型燃料電池や固体高分子電解質型燃料電池などがあるが、運転温度が約７０℃と比較的低温である固体高分子電解質型燃料電池は家庭用電源などの起動や停止を頻繁に繰り返す用途に多く用いられることから、固体高分子電解質型燃料電池を備えた発電システムに本発明の水素発生装置を適用することが特に好適である。
図１に示す本実施例の燃料電池発電システムについて説明する。炭化水素系燃料として都市ガスが供給されるが、都市ガスにはガス漏れを感知するために硫黄化合物が添加されており、このような硫黄化合物は触媒に悪影響がある。そこで、硫黄化合物は脱硫器２で除去する。脱硫された都市ガスは、改質用水と共に改質器３の改質触媒に接触させ、加熱された改質触媒上で水素含有ガスに改質される。
図１に示す本実施例の燃料電池発電システムについて説明する。炭化水素系燃料として都市ガスが供給されるが、都市ガスにはガス漏れを感知するために硫黄化合物が添加されており、このような硫黄化合物は触媒に悪影響がある。そこで、硫黄化合物は脱硫器２で除去する。脱硫された都市ガスは、改質用水と共に改質器３の改質触媒に接触させ、加熱された改質触媒上で水素含有ガスに改質される。
改質器３で生成された水素含有ガスは、改質反応の副生成物である一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下まで低減させるため、変成器４やＣＯ除去器５を通過させる。一酸化炭素濃度を低減させた水素含有ガスは、燃料電池の燃料極１ａに供給される。燃料電池で消費されなかった水素を含むガスは、改質器３に戻されバーナ１９で燃やされる。燃料電池の燃料極１ａに供給される水素含有ガスと、反応空気ブロワ７から燃料電池の空気極１ｂに供給される空気との反応により、燃料電池は発電し電力を供給する。
固体高分子電解質型燃料電池では、発電に適正な温度に保つために７０℃前後になるように冷却水により冷却する。電池冷却水タンク９に貯留した冷却水を、電池冷却水ポンプ８で燃料電池内へ循環させている。燃料電池で温められた電池冷却水タンク９の冷却水は、改質用水ポンプ１５で改質器３に供給され、改質用水として利用される。改質用水として利用されて減少した冷却水を補うため、発電システム３０外から供給される水、若しくは排ガス冷却器１７で回収された水を回収水ポンプ１４で電池冷却水タンク９へ供給している。
固体高分子電解質型燃料電池では、発電に適正な温度に保つために７０℃前後になるように冷却水により冷却する。電池冷却水タンク９に貯留した冷却水を、電池冷却水ポンプ８で燃料電池内へ循環させている。燃料電池で温められた電池冷却水タンク９の冷却水は、改質用水ポンプ１５で改質器３に供給され、改質用水として利用される。改質用水として利用されて減少した冷却水を補うため、発電システム３０外から供給される水、若しくは排ガス冷却器１７で回収された水を回収水ポンプ１４で電池冷却水タンク９へ供給している。
図２は、図１に示す改質器３の内部を模式的に示す図面である。図３は、図２の改質器の斜視図である。
図２に図示するように、改質器３の内部は同心円状の金属板で区画され、中心円筒空間にバーナ１９が設けられており、その外側の環状空間に中心円筒空間に連通する燃焼排ガス通路２４が形成されている。燃焼排ガス通路２４は、改質部１３と燃焼排ガスが熱交換する部分における燃焼排ガスの通路のことをいう。さらに燃焼排ガス通路２４に隣接する外側の環状空間に改質触媒が充填された改質部１３を設けている。バーナ１９の燃焼用燃料としては、燃焼用燃料供給路１０を経由して、都市ガスまたは燃料電池での反応に利用されずに燃料極１aから排出される水素を含有した燃料極排ガスが利用され、燃焼用空気供給路１１を経由して供給される空気を酸化剤としバーナ１９において燃焼せしめ、改質部１３における改質反応に必要な熱を供給する。同時に発生する燃焼排ガスは改質器３内の燃焼排ガス通路２４を流れ、隣接する改質部１３を加熱する。
図２に図示するように、改質器３の内部は同心円状の金属板で区画され、中心円筒空間にバーナ１９が設けられており、その外側の環状空間に中心円筒空間に連通する燃焼排ガス通路２４が形成されている。燃焼排ガス通路２４は、改質部１３と燃焼排ガスが熱交換する部分における燃焼排ガスの通路のことをいう。さらに燃焼排ガス通路２４に隣接する外側の環状空間に改質触媒が充填された改質部１３を設けている。バーナ１９の燃焼用燃料としては、燃焼用燃料供給路１０を経由して、都市ガスまたは燃料電池での反応に利用されずに燃料極１aから排出される水素を含有した燃料極排ガスが利用され、燃焼用空気供給路１１を経由して供給される空気を酸化剤としバーナ１９において燃焼せしめ、改質部１３における改質反応に必要な熱を供給する。同時に発生する燃焼排ガスは改質器３内の燃焼排ガス通路２４を流れ、隣接する改質部１３を加熱する。
熱交換部２０の燃焼排ガス温度が同熱交換部の燃焼用空気温度より高くなった時には、改質部１３を加熱した後の燃焼排ガスが有する熱は更にバーナ１９に供給される燃焼用空気と熱交換部２０で熱交換して燃焼用空気の予熱に利用される。本実施例の熱交換部の構成は、多重同心円状の金属板に区画された環状空間をガスの通路とすることで、改質部と一体構造を成しているため、改質器外部に熱交換器を別途設置する手間を省くことができる。そして、高温のガスと低温のガスが対向して流れるようにしているため、効率よく熱交換が可能である。
その後、燃焼排ガスは、図１に示す排ガス冷却器１７で冷却して排気される。
次に、上述の燃料電池発電システムおける本実施例の特徴的な構成について説明する。
本実施例では、燃焼用空気供給路１１の外側に電気ヒータ２１を設けている。電気ヒータ２１は、水素発生装置３１の起動時、すなわち、バーナ１９への燃焼用燃料および燃焼用空気の供給開始時に作動させる。燃焼用空気は、電気ヒータ２１により１００℃程度に加熱され、熱交換部２０において燃焼排ガスを加熱した後、バーナ１９に供給される。そして、電気ヒータ２１のエネルギー消費を低減させるために、燃焼排ガスの温度を燃焼排ガス温度センサ２３により測定して検出値を加熱装置制御装置２２に送り、燃焼排ガス温度センサ２３による検出温度が７０℃を超えた時点で加熱の必要なしと判断して電気ヒータ２１による加熱を停止させる。燃焼排ガス温度センサ２３と加熱装置制御装置２２の役割を同時に果たす部品としては、バイメタルを利用したサーモスタットを用いることで安価に本発明を実施することができる。
その後、燃焼排ガスは、図１に示す排ガス冷却器１７で冷却して排気される。
次に、上述の燃料電池発電システムおける本実施例の特徴的な構成について説明する。
本実施例では、燃焼用空気供給路１１の外側に電気ヒータ２１を設けている。電気ヒータ２１は、水素発生装置３１の起動時、すなわち、バーナ１９への燃焼用燃料および燃焼用空気の供給開始時に作動させる。燃焼用空気は、電気ヒータ２１により１００℃程度に加熱され、熱交換部２０において燃焼排ガスを加熱した後、バーナ１９に供給される。そして、電気ヒータ２１のエネルギー消費を低減させるために、燃焼排ガスの温度を燃焼排ガス温度センサ２３により測定して検出値を加熱装置制御装置２２に送り、燃焼排ガス温度センサ２３による検出温度が７０℃を超えた時点で加熱の必要なしと判断して電気ヒータ２１による加熱を停止させる。燃焼排ガス温度センサ２３と加熱装置制御装置２２の役割を同時に果たす部品としては、バイメタルを利用したサーモスタットを用いることで安価に本発明を実施することができる。
このような構成としたことにより、燃焼排ガス通路２４及び燃焼排ガス経路１２の温度が低い水素発生装置の起動時に、燃焼用空気供給路１１の外側に設けた電気ヒータ２１により１００℃程度に昇温された燃焼用空気と燃焼排ガスが熱交換されるので、燃焼排ガスがその露点（約５９℃）以下に冷却されることを防止でき、従って、燃焼排ガス通路２４及び燃焼排ガス経路１２内で結露して凝縮水を生じることを防ぐことができる。
また、燃焼排ガス経路１２に加熱装置２１を設けて燃焼排ガス経路１２を予熱することも考えられるが、下流の排ガス冷却器１７で排気する燃焼排ガスを予熱することはエネルギーのロスが多いため、燃焼用空気供給路１１を予熱することが望ましい。
なお、上述の実施例では、燃焼用空気供給路１１の加熱手段として電気ヒータ２１を用いたが、これに限られず、例えば、ガスバーナや触媒燃焼器などの他の加熱手段に代えることもできる。
また、燃焼排ガス経路１２に加熱装置２１を設けて燃焼排ガス経路１２を予熱することも考えられるが、下流の排ガス冷却器１７で排気する燃焼排ガスを予熱することはエネルギーのロスが多いため、燃焼用空気供給路１１を予熱することが望ましい。
なお、上述の実施例では、燃焼用空気供給路１１の加熱手段として電気ヒータ２１を用いたが、これに限られず、例えば、ガスバーナや触媒燃焼器などの他の加熱手段に代えることもできる。
さらに、本実施例では燃焼排ガス温度センサ２３の検出温度が設定温度の７０℃を超えた時点で電気ヒータ２１を停止する制御を行っているが、これに代えて、予め燃焼排ガス温度が７０℃に到達するまでに要する時間ｔを実験により求めておき、水素発生装置の起動開始からｔ時間電気ヒータ２１を作動させた後、自動的に停止する制御を行うこととしてもよい。
本発明に係わる水素発生装置およびこれを備えた発電システムは、起動時において、燃焼排ガス中の一酸化炭素の排出量を減少でき、燃焼しなかった燃料成分の排出を低減できる効果を有するので、水素を生成して利用する分野に有用である。
１ 燃料電池本体
１a 燃料極
１b 空気極
１c 冷却板
２ 脱硫器
３ 改質器
４ 変成器
５ ＣＯ除去器
６ 燃焼空気ブロワ
７ 反応空気ブロワ
８ 電池冷却水ポンプ
９ 電池冷却水タンク
１０ 燃焼用燃料供給路
１１ 燃焼用空気供給路
１２ 燃焼排ガス経路
１３ 改質部
１４ 回収水ポンプ
１５ 改質用水ポンプ
１６ 補給水弁
１７ 排ガス冷却器
１８ 隔壁
１９ バーナ
２０ 熱交換部
２１ 電気ヒータ
２２ 加熱装置制御装置
２３ 燃焼排ガス温度センサ
２４ 燃焼排ガス通路
３０ 発電システム
３１ 水素発生装置
１a 燃料極
１b 空気極
１c 冷却板
２ 脱硫器
３ 改質器
４ 変成器
５ ＣＯ除去器
６ 燃焼空気ブロワ
７ 反応空気ブロワ
８ 電池冷却水ポンプ
９ 電池冷却水タンク
１０ 燃焼用燃料供給路
１１ 燃焼用空気供給路
１２ 燃焼排ガス経路
１３ 改質部
１４ 回収水ポンプ
１５ 改質用水ポンプ
１６ 補給水弁
１７ 排ガス冷却器
１８ 隔壁
１９ バーナ
２０ 熱交換部
２１ 電気ヒータ
２２ 加熱装置制御装置
２３ 燃焼排ガス温度センサ
２４ 燃焼排ガス通路
３０ 発電システム
３１ 水素発生装置
Claims (5)
- 燃焼用燃料供給路及び燃焼用空気供給路から各々供給される燃焼用燃料と燃焼用空気とを燃焼させるバーナと、前記バーナの燃焼排ガスにより加熱され炭化水素系燃料を水蒸気改質する改質触媒を充填した改質部とを有すると共に、前記燃焼排ガスと前記燃焼用空気とを熱交換させる水素発生装置において、
前記燃焼用空気を予熱する加熱装置を備え、予熱された前記燃焼用空気で前記燃焼排ガスを加熱することを特徴とする水素発生装置。 - 請求項１に記載の水素発生装置において、
水素発生装置の起動から一定時間前記加熱装置を作動させる手段を有することを特徴とする水素発生装置。 - 請求項１に記載の水素発生装置において、
前記燃焼排ガス若しくは燃焼排ガス経路の壁面温度を測定する温度センサと、
前記温度センサの温度データが温度設定値に到達するまで前記加熱装置を作動させる加熱装置制御装置とを備えたことを特徴とする水素発生装置。 - 請求項３に記載の水素発生装置において、前記温度設定値が７０℃であることを特徴とする水素発生装置。
- 請求項１から４のいずれか一項に記載の水素発生装置を備えたことを特徴とする発電システム。
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